Mostrar código-fonte de Caldeiras de Condensação

Feito por: Diogo Salgueiro & Johnny Baptista para a cadeira de Integração e Intensificação de Processos - Mestrado Integrado em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2018/2019.

='''Caldeira de condensação'''=
As Caldeiras de condensação, são caldeiras que produzem água quente, mas ao contrário das comuns caldeiras que libertam os gases de combustão livremente para a atmosfera, estas ditas caldeiras de condensação permitem a utilização da energia contida nestes gases, o que se traduz num maior rendimento energético do equipamento, visto que aproveitam quase integralmente o poder calorífico do combustível utilizado.
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== '''História e desenvolvimento notório:''' ==
As primeiras caldeiras de condensação modernas foram desenvolvidas por Richard Vetter em 1982 (para gás) e 1984 (para óleo) sendo que desde da década de 90 a tecnologia de caldeiras de condensação é considerada a tecnologia de preferência ganhando terreno no mercado a meio da década 90. Richard Vetter é um dos maiores inventores da Alemanha sendo actualmente detentor de mais de 100 patentes alemãs e internacionais das quais 22 estão implementadas na caldeira de condensação total ''VERITHERM <ref>https://www.veritherm.com/index.php/wir-ueber-uns/die-vetter-story/der-erfinder</ref>''.

O trabalho de Richard Vetter na tecnologia de caldeiras de condensação é notório, devido ao facto de ter sido o primeiro a desenvolver a tecnologia de modo a aproveitar quase na integridade o poder calorífico dos combustíveis (gás e óleo). Isto foi possível através do aproveitamento do calor latente de condensação dos gases de escape resultantes da combustão nas chamadas caldeiras de condensação total.
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=='''Funcionamento da caldeira de condensação:'''==
::Primeiramente o combustível (gás ou óleo) é injetado no queimador da caldeira de modo a aquecer a água circulante na rede de tubos do permutador primário (Figura 1), após a queima do combustível os gases de escape gerados passam pelo permutador secundário aproveitando-se o calor latente de condensação do vapor de água contido nos gases de escape, isto traduz-se num aumento da eficiência na ordem dos 10-12%, quando comparada com uma caldeira convencional<sup>[2]</sup>.
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[[Ficheiro:Figura .jpg|miniaturadaimagem|centro|Figura 1: Caldeira de condensação dependente da carga e temperatura do retorno,retirado de [2]|345x319px]]
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A evolução do comportamento dinâmico da  transferência de calor entre os gases de combustão (que se encontram à temperatura da chama logo após saírem do queimador) e a água circulante no sistema da tubagens, como representado na figura 2, pode ser descrito pelas seguintes equações<ref>Satyavada H., Baldi S. Energy, Monitoring energy efficiency of condensing boilers via hybrid first-principle modelling and estimation2018;142(1):121-29</ref>:
[[Ficheiro:GLEICHUNG 1.png|centro|1]]
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[[Ficheiro:GLEICHUNG 2.png|centro|2]]
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::A equação 1 apenas descreve a transferência de calor entre a corrente de gases de combustão e a segunda já trata da transferência de calor com a corrente de água das tubagens da caldeira.  Em (1) C<sub>g</sub> é o calor específico dos gases de combustão e C<sub>w</sub> da água em [kJ/Kg °C], w<sub>g</sub> o caudal mássico dos gases de combustão e w<sub>w</sub> o da corrente de água  em [kg/s], ρ<sub>g</sub> a densidade dos gases de combustão e ρ<sub>w</sub> da água em [kg/m<sup>3</sup>], sendo que as temperaturas ( T<sub>g</sub> e T<sub>s</sub> ) se encontram em [°C]. As constantes  h<sub>s</sub> e h<sub>t</sub> representam os coeficientes de transferência de calor em  [KW/m<sup>2</sup>°C], D<sub>s</sub> e D<sub>t</sub> são os perímetros da superfície onde ocorre transferência de calor em [m], A<sub>s</sub> e A<sub>t</sub> são as áreas de superfície onde ocorre transferência de calor em [m<sup>2</sup>].
[[Ficheiro:GLEICHUNG 3.png|centro|(3)]]
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[[Ficheiro:GLEICHUNG 4.png|centro]]
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::O primeiro termo do lado direito de (3) descreve a troca de calor com água e o segundo termo vem da troca de calor com as tubagens da caldeira. Em (3), ρ<sub>t</sub> é a densidade em [kg / m<sup>3</sup>], C<sub>t</sub> é o calor específico em [kJ / kg °C] da parede da tubagem do permutador.
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As constantes d<sub>t</sub>, d<sub>s</sub> e R<sub>ts</sub> e D<sub>m</sub> são, respectivamente, a espessura da parede da tubagem em [m], a espessura da parede em [m], e a resistência térmica entre a parede da tubagem e a extensão do núcleo da tubagem em [kW / m<sup>2</sup>°C].
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::O primeiro termo do lado direito de (4) descreve a troca de calor com gás e o segundo termo descreve a troca de calor com a parede da tubagem. Em (4),ρ<sub>s</sub> é a densidade em [kg / m<sup>3</sup>], e C<sub>s</sub> calor específico em [kJ / kg °C] de material da superfície da tubagem.
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::Na tecnologia de caldeiras de condensação existem duas alternativas, as caldeiras de condensação dependentes da carga e temperatura da corrente de retorno e as caldeiras de condensação independentes da carga e temperatura da corrente de retorno. 
Nas caldeiras dependentes da carga e temperatura da corrente de retorno só é possível ocorrer condensação dos gases de escape e consequente aproveitamento do calor latente de condensação se a corrente de água de retorno, que passa pelo permutador secundário está abaixo da temperatura de orvalho dos gases de escape, daí ser crucial a existência de uma regulação eficaz da temperatura da corrente de retorno através de bombas de recirculação reguladas por pressão diferencial<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/Umw%C3%A4lzpumpe_(Heiztechnik)#Differenzdruckregelung</ref>, bem como um dimensionamento adequado do sistema (caldeira e utilizadores). Nas caldeiras de condensação dependente da carga e temperatura da corrente de retorno geralmente ocorre só uma condensação parcial dos gases de escape.
Nas caldeiras de condensação independentes da carga e temperatura da corrente de retorno, desenvolvidas por Richard Vetter, os gases de escape são totalmente condensados num permutador de calor polimérico qual é arrefecido através do ar fresco da alimentação do queimador, condição necessária para tal ocorrer é uma temperatura de gases de escape suficientemente baixa para que não se dê a degradação térmica deste permutador. Só nas caldeiras de condensação independentes da carga e temperatura da corrente de retorno é possível aproveitar ao máximo o calor latente da condensação dos gases de escape, visto que só nestas ocorre a condensação total<ref>http://www.vollbrennwerttechnik.de/technik/technik.html.</ref>.
O condensado resultante tem carácter ácido<ref>https://www.sbz-monteur.de/wp-content/uploads/2011/07/kondenswasser.pdf.</ref> e como tal as superfícies do permutador secundário bem como chaminé de evacuação devem ser resistentes à corrosão isto é possível através da aplicação de revestimentos com materiais cerâmicos, aço inoxidável ou polímeros (PTFE ou PPS), sendo o condensado efluente resultante evacuado da caldeira, poderá ainda ser neutralizado ou diretamente evacuado para a rede de esgoto.
O gás de escape resultante, já arrefecido é evacuado através duma bomba de exaustão (“power exhaust”), isto é necessário visto que o efeito chaminé não é predominante às baixas temperaturas a que se encontram os gases de escape na etapa final.
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=='''Custos '''==
Caldeiras de condensação requerem na aquisição um investimento maior em comparação com as caldeiras convencionais, contudo têm um bom potencial de amortização a médio-longo prazo já que têm uma tecnologia mais eficiente em termos energéticos apesar de terem um consumo de eletricidade 30-40% maior devido à bomba de recirculação de elevada eficiência, regulação e controlo da caldeira. O consumo de eletricidade das caldeiras de condensação corresponde a cerca de 3% do consumo de combustível onde cerca 2% são consumidos pela bomba de recirculação de elevada eficiência e cerca de 1% são consumidos pela regulação e controlo (queimador, bomba de exaustão e controlo). Perdas de energia adicionais causadas pela queda de pressão do fluxo dos gases de escape são estimadas em pouco menos de 0,3% do consumo de combustível, mas os ganhos energéticos associados à tecnologia de condensação permitem um rendimento apreciável na razão de eletricidade consumida e calor útil (Electro-thermal Amplification Factor ou Elektrothermischer Verstärkungsfaktor - ETV)<ref>https://web.archive.org/web/20131110164044/http://www.eicher-pauli.ch/upload/pdf/publications/FAGO-Zus_Schlussbericht.pdf.</ref>.
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=='''Conclusões'''==
O uso de caldeiras de condensação, quando comparado com as convencionais apresenta muitas vantagens do ponto de vista energético, económico e ambiental, pois ao utilizar a energia presente nos gases de escape irá aumentar o rendimento energético, através do aproveitamento quase total do poder calorífico do combustível o que se traduz num ganho económico e ambiental, pois a queima de combustível será menor o que acarreta menores custos de combustível e como tal menos emissões.
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=='''Referências'''==
[[Categoria:Utilidades industriais]]
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